Matrizenschweissspule

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Matrizenschweißspule zum Verbinden von Tubenkörpern aus Verbundfolien mit metallischer Sperrschicht mit einem Tubenkopf durch Hochfrequenzinduktionsschweißen, die aus einer mit einer axialen Bohrung versehenen zylindrischen Formmatrize (1) und einer hohlen gegebenenfalls an eine Kühlmittelquelle anschließbaren mehrwindigen Induktionsspule (4) besteht, wobei die Formmatrize (1) eine konische Oberfläche (3) aufweist, auf der die Induktionsspule (4) spiralförmig angeordnet ist, gekühlt ist, aus einem Nichteisenmetall besteht und einen radialen Schlitz (12) aufweist und die Spule (4) mit etwa einer Windungslänge mit der Formmatrize (1) elektrisch leitend verbunden ist, wobei diese Windung (5) den Schlitz (12) elektrisch nicht überbrückt. Der Schlitz (12) ist mit einer elektrisch nicht leitenden Füllmasse (13) gefüllt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Matrizenschweißspule zum Verbinden von Tubenrohrkörpern aus Verbundfolien mit metallischer Sperrschicht mit einem Tubenkopf durch Hochfrequenzinduktionsschweißen, bestehend aus einer mit einer axialen Bohrung versehenen zylindrischen Formmatrize und einer hohlen gegebenenfalls an eine Kühlmittelquelle anschließbaren mehrwindigen Induktionsspule.

[0002] Eine derartige Matrizenschweißspule ist aus der DE-OS 26 28 014 bekannt. Hierbei besteht die als Preßwerkzeug dienende Matrize aus einem elektrischen Nichtleiter. Bekannte Matrizen bestehen aus keramischem Material. Mit diesem Preßwerkzeug arbeitet eine Induktionsspule zusammen. Da elektrische Nichtleiter generell insbesondere aber Keramik relativ schlechte Wärmeleiter sind, ist die Wärmeabfuhr aus dem Schweißbereich in kurzer Zeit nicht möglich, so daß die Anzahl der pro Zeiteinheit herstellbaren Schweißverbindungen gering ist. Ferner erwärmt sich mit der Zeit der Keramikkörper und bewirkt eine Veränderung der Oberfläche der äußeren Schichten der Tubenkopfschultern, d.h., der Kunststoff verliert seinen Glanz und wird matt, was sich negativ auf das Aussehen der Tube auswirkt. Außerdem besteht bei Keramikwerkstoffen immer eine Bruchgefahr bei Aufbringung des notwendigen Drucks beim Verschweißen, da sie spröde, hart und schlecht zu bearbeiten sind. Die Induktionsspule besteht aus einem Hohlleiter und kann dadurch mittels eines durch den Hohlleiter geführten Kühlmittels gekühlt werden, wie dies aus der DE-OS 20 23 652 bekannt ist. Nach dieser Schrift soll zur besseren Wärmeableitung der den Rohrkörper tragende Dorn aus wärmeleitendem Aluminium und nur sein stirnseitig aufgesetzter Kopf aus nicht leitendem Material bestehen. Hierdurch wird jedoch die Wärmeableitung aus dem Schweißbereich nur unwesentlich verbessert.

[0003] Aus dieser Schrift ist es bekannt, die Induktionsspule getrennt von der Preßmatrize oberhalb der Führungsbahn des Dorns anzuordnen und die zu verschweißenden Tubenteile mit aufgesetzter Matrize durch das Induktionsfeld der feststehenden Spule zu bewegen.

[0004] Die eingangs genannte DE-OS 26 28 014 gibt die Anregung, die Induktionsquelle im Dorn anzuordnen und das Feld im Tubenrohr abzuschirmen, da dann die Möglichkeit besteht, die Preßmatrize aus Metall herzustellen, um die Abkühlzeit nach dem Schweißprozeß zu verkürzen. Diese Anordnung weist jedoch eine Fülle von Nachteilen auf, da die Spule und die erforderlichen Kühl- und Abschirmvorrichtungen im platzmäßig beschränkten Dorn untergebracht werden müssen, der zumeist noch in mehreren Richtungen beweglich sein muß, was Strom- und Kühlmittelprobleme mit sich bringt, und außerdem kann nur das Randfeld der Spule ausgenutzt werden.

[0005] Bei den bekannten Anordnungentst es nicht möglich, durch spezifisch konzentrierte Magnetfelder bestimmte Stellen mehr oder weniger zu erwärmen, da die Spulenöffnung immer größer ist als der zu verschweißende Tubenkopf.

[0006] Aus der DE-OS 22 25 928 ist eine Vorrichtung zum Verschließen von Flaschen aus nicht metallischem Material mit einer heißklebefähigen beschichteten Metallfolie mit einem Preßstempel aus isolierendem Material und einer an diesem befestigten Hochfrequenzspule bekannt. Hierbei ist der Hochfrequenzspule in Form einer wassergekühlten Induktorschleife ein aus einem geschlitzten Ring bestehender Konzentrator zugeordnet, der mit der Spule induktiv gekoppelt ist und mit dem die Metallfolie induktiv koppelbar ist. Schleife und Konzentrator sind voneinander durch einen Stoff hoher Wärmeleitfähigkeit elektrisch isoliert.

[0007] Durch diese Vorrichtung ist einerseits keine hohe magnetische Kopplung erzielbar und da der Innendurchmesser und der Außendurchmesser der Schleife und des Konzentrators im wesentlichen gleich dem Flaschenhalsflansch sind, ist andererseits auch die Wirkung des Konzentrators gering, da er auch nur indirekt gekühlt ist erwärmt er sich, wodurch die Schweißbedingungen verändert werden.

[0008] Aus der DE-OS 28 25 953 ist eine Vorrichtung zum Induktionsschweißen, insbesondere zum Abdichten einer Kunststoffabdeckung mit einer Metallfolie an einem Behältergehäuse bekannt, die einen elektrisch leitfähigen Pfad aus einer kühlbaren Metallplatte aufweist, in der eine öffnung um den Schweißbereich herum gebildet ist, wobei zwischen dieser öffnung und der äußersten Kante der Platte ein Isolierschlitz vorgesehen ist. Bei dieser einwindigen Spule muß die öffnung die Form der zu verschweißenden Teile wiedergeben, so daß bei jeder Maßänderung eine neue Vorrichtung benötigt wird. Außerdem sind bei dieser Vorrichtung, um deren Wirksamkeit zu sichern, hohe Frequenzen erforderlich, was sich negativ auf den Preis zumindest der HF-Generatoren niederschlägt. Hauptnachteil ist jedoch, daß mit dieser Vorrichtung kein homogenes HF-Feld erzielbar ist, was sich negativ auf die Qualität der Schweißnaht auswirkt.

[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Matrizenschweißspule der eingangs genannten Art anzugeben, die es ermöglicht, den Verschweißprozeß von Tubenkörpern mit metallischer Sperrschicht mit einem Tubenkopf durch verbesserte Kühlung und, insbesondere bei Tubenköpfen, die eine metallische Sperrschicht aufweisen, zusätzlich durch gezielte Energieverteilung beim Verschweißen zu beschleunigen.

[0010] Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 wiedergegebenen Merkmale gelöst.

[0011] Durch diese Ausgestaltung der Matrize mit Spalt wird erreicht, daß die Metallmatrize nicht als Abschirmung des Magnetfeldes, sondern als Konzentrator wirkt, so daß der gesamte Feldfluß nur durch die axiale öffnung gehen kann, und da Metall ein guter Wärmeleiter ist, kann auch im Schweißbereich eine nahezu optimale Wärmeableitung erzielt werden. Außerdem kann durch die metallene Matrize der für eine gute Versiegelung notwendige Druck ohne Gefahr des Bruchs der Matrize aufgebracht werden.

[0012] Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

[0013] Durch die Ausführung gemäß Anspruch 2 wird erreicht, daß eventuell erweichtes Kunststoffmaterial nicht in den Schlitz gelangen kann, wodurch eine eventuell mögliche linienförmige Erhebung auf der Oberfläche des Schulterteiles vermieden wird. Durch die Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 3 wird eine optimale Ausbildung des Induktionsfeldes gesichert. Durch die Maßnahme gemäß Anspruch 4 ist es einmal möglich, die gleiche Spule bei verschiedenen Tubenformen angepaßten Formmatrizen zu verwenden und andererseits die Formmatrizen mit den Tuben wandern zu lassen, womit eine weitere Geschwindigkeitssteigerung möglich ist.

[0014] Durch die Ausführung der Matrize gemäß Anspruch 5 kann ein Grundkörper der Matrize mit an verschiedene Tubenformen angepaßten Einsätzen versehen werden, So daß die Herstellungskosten gesenkt und gegebenenfalls auch die Umrüstzeiten erniedrigt werden.

[0015] Durch die Maßnahme gemäß Anspruch 6 wird eine aktive Kühlung erreicht.

[0016] Durch die Führungshülse gemäß Anspruch 7 wird ein leichtes Einführen und genaues Zentrieren des Dorns mit dem Rohrkörper und dem Kopf bezüglich der Spule gewährleistet.

[0017] Die Isolierrondelle gemäß Anspruch 8 wird vorzugsweise dann eingesetzt, wenn der Tubenkopf eine wie eine Abschirmung wirkende Metallsperrschicht aufweist, so daß die Isolierrondelle direkt von einem erhöhten Nebenfeld durchdrungen wird, das in der Überlappungszone von Tubenkopf und Rohrkörper-konzentriert wird. Die Befestitung der Isolierrondelle gemäß Anspruch 9 ermöglicht einerseits einen festen Sitz, andererseits aber auch ein leichtes Auswechseln und Befestigen einer anderen Isolierrondelle mit größerer oder kleinerer Dicke.

[0018] Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Matrizenschweißspule mit Isolierrondelle,

Fig. 2 eine Ansicht von unten mit Durchsicht und Anschnitt auf die Matrizenschweißspule gemäß _Fig. 1,

Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem der Spulenteil vom unterteilten Matrizenteil getrennt ist ohne Isolierrondelle.

[0019] Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Matrizenschweißspule besteht aus einer aus einem oberen und einem unteren Teil 1a, 1b bestehenden Formmatrize 1 aus einem Nichteisenmetall. Die Formmatrize 1 weist eine durchgehende axiale Bohrung 2 auf. Der obere Teil 1a weist eine kegelstumpfförmige Oberfläche 3 auf, auf der spiralförmig eine mehrwindige Induktionsspule 4 angeordnet ist. Die Hochfrequenzinduktionsspule ist mit etwa einer Windung 5 - der äußeren - auf der Matrize 1 aufgelötet und somit leitend mit ihr verbunden. Die weiteren Windungen sind bezüglich der Formmatrize 1 isoliert angeordnet.

[0020] Der obere Teil 1a der Formmatrize 1 weist an der Unterseite 7 eine kreisförmige Aussparung 8 auf, in die ein entsprechender Vorsprung 9 des unteren Teils 1 b der Formmatrize 1 eingeht. Zwischen dem oberen und unteren Teil 1a und 1b ist um die axiale Bohrung 2 eine Isolierrondelle 10 angeordnet. Die beiden Teile 1a und 1b sind durch Schraubverbindungen 11 lösbar miteinander verbunden und klemmen die Isolierrondelle 10 zwischen sich ein, so daß diese leicht auswechselbar ist. Die Aussparung 8 und der Vorsprung 9 dienen zum leichteren zentrierten Zusammenbau der Teile 1a und 1b der Formmatrize 1, wobei deren Höhe der größten Dicke der verwendeten Isolierrondelle 10 angepaßt ist, d.h., daß auch bei größter Dicke noch ein Eingriff des Vorsprungs 9 in die Aussparung 8 besteht. Die Formmatrize 1 weist an einer Seite einen radialen durchgehenden, möglichst schmalen Schlitz 12 auf..Der Schlitz 12 ist mit einer elektrisch nicht leitenden Füllmasse 13 gefüllt.

[0021] Die auf der Formmatrize 1 aufgelötete, d.h. elektrisch leitend verbundene eine Windung 5 beginnt an einer Seite des Schlitzes 12 und endet vor der anderen Seite, d.h. der Schlitz 12 wird nicht elektrisch leitend überbrückt.

[0022] Die Induktionsspule 4 ist als Hohlleiter ausgebildet und kann durch ein Kühlmittel gekühlt werden.

[0023] Die Matrize 1 weist ein System von Kanälen 14 zum Durchfluß eines Kühlmittels auf, wobei die Kanäle 14 im oberen und unteren Teil 1a und 1b oder nur in einem Teil 1a oder 1b angeordnet sein können.

[0024] Am unteren Teil 1b ist an seiner Unterseite eine Führungshülse 15 aus elektrisch nicht leitendem Material befestigt. Am freien Ende weist die Führungshüle 15 abgeschrägte Kanten zum leichteren Einführen der die Rohrkörper und Tubenköpfe tragenden Dorne auf. Die Führungshülse 15 ist so dimensioniert und angeordnet, daß sie den Dorn mit dem Rohrkörper gerade umfaßt und bezüglich der Induktionsspule 4 zentriert.

[0025] Die Axiale Bohrung 2 ist im unteren Teil derart erweitert, daß sie die Außenform der fertigen Tubenschulter mindestens im Bereich der Verbindung von Kopf mit Rohrkörper wiedergibt. Diese Erweiterung kann nur im unteren Teil 1b oder auch im oberen Teil 1a ausgeführt sein, wobei die gegebenenfalls vorhandene Isolierrondelle 10 in die Formgestaltung einbezogen ist (s.Fig. 1).

[0026] Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das System der Kanäle 14 im unteren Teil 1b der Matrize 1 angeordnet. Die die Schulterform der herzustellenden Tube wiedergebende Innenform der Erweiterung der axialen Bohrung 2 ist nur in diesem Teil 1b enthalten. Die Spule 4 ist bei dieser Ausführung auf einer metallischen Konzentratorscheibe 16 mit Schlitz angeordnet und relativ bezüglich der Matrize 1 in deren Längsachse auf- und abbewegbar. Die Spulenwindung 5 und der Haltering 16 sind so angeordnet bzw. gestaltet, daß der Schlitz 12 der Matrize elektrisch nicht überbrückt wird.

[0027] Bei einem Tubenkopf ohne metallische Schicht wird der eine metallische Sperrschicht aufweisende Rohrkörper auf die Kopfschulter aufgeschoben; durch das durch die Induktionsspule erzeugte Feld wird die Metallschicht in der überlappungszone erwärmt und erweicht die ihr benachbarten Kunststoffschichten. Durch den durch die Matrizen aufgebrachten Druck wird die gewünschte feste Verbindung erzielt.

[0028] Weist der Tubenkopf ebenfalls eine metallische Sperrschicht auf, so wird darin durch das induzierte Feld ein Kurzschlußstrom bewirkt, der ebenfalls Wärme erzeugt und eine magnetische Reaktion erzeugt, die dem Hauptfeld entgegenwirkt.

[0029] Die Intensität der in der metallischen Schicht des Tubenkopfes induzierten Ströme kann durch die Isolierrondelle 10, die eine Aufteilung eines Teils des Feldes ermöglicht, bestimmt werden. Das Nebenfeld durchdringt direkt die Isolierrondelle 10 und wird in der Überlappungszone von Kopf und Tubenkörper konzentriert, wo es eine gezielte Erwärmung herbeiführt. Durch die Dicke der Isolierrondelle 10 kann die Intensität der induzierten Ströme variiert werden.

[0030] Der durch die Spule fließende Strom bewirkt den Aufbau eines Magnetfeldes, der durch die als Konzentrator wirkende Matrize 1 so beeinflußt wird, daß der ganze Feldfluß nur durch die Bohrung 2 geht. Die Konzentration des Feldes wird somit durch die Gestalt der Bohrung 2, besonders durch deren öffnungsweite, aber auch durch deren Tiefe bestimmt. Durch geeignete Wahl der öffnungsweite der Bohrung 2 der Matrize 1 und durch die Dicke der Isolierrondelle 10 kann eine gezielte Energieverteilung beim Verschweißen erzielt werden.

[0031] Die Matrize besteht vorzugsweise aus Messing, da diesem wegen seiner Härteder Vorzug vor Kupfer gegeben wird. Es sind jedoch alle Nichteisenmetalle einsetzbar.

[0032] Als Isolationsfüllmasse kann beispielsweise ein Zweikomponentenkunstharzkleber auf der Basis eines Epoxidharzes, z.B. Araldit, verwendet werden. Die Isolierrondelle kann beispielsweise aus Aluminiumoxid oder einem anderen Keramikmaterial, wie einem Glas mit anorganischen Füllstoffen (HAVELEX oder MARCOR) gefertigt werden. Für die Führungshülse genügt ein Material von geringerer Härte, weshalb wegen der einfacheren Bearbeitbarkeit ein Kunststoff verwendet wird, z.B. ein Fluorkohlenstoffharz, wie Polytetrafluoräthylen (Teflon).

Ansprüche

1. Matrizenschweißspule zum Verbinden von Tubenrohrkörpern aus Verbundfolien mit metallischer Sperrschicht mit einem Tubenkopf durch Hochfrequenzinduktionsschweißen, bestehend aus einer mit einer axialen Bohrung versehenen zylindrischen Formmatrize und einer hohlen gegebenenfalls an eine Kühlmittelquelle anschließbaren mehrwindigen Induktionsspule,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Formmatrize (1) aus einem Nichteisenmetall besteht und einen radialen Schlitz (12) aufweist und die Spule (4) mit etwa einer Windungslänge mit der Formmatrize elektrisch leitend verbunden ist, wobei diese Windung (5) den Schlitz (12) elektrisch nicht überbrückt.

2. Matrizenschweißspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz (12) mit einer elektrisch nicht leitenden Füllmasse (13) gefüllt ist.

3. Matrizenschweißspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize (1) eine konische Oberfläche (3) aufweist, auf der die Induktionsspule (4) spiralförmig angeordnet ist.

4. Matrizenschweißspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (4) und die Matrize (1) jeweils als eine Einheit ausgeführt und relativ zueinander beweglich angeordnet sind.

5. Matrizenschweißspule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Formmatrize (1) geteilt ist und mindestens aus einem oberen Teil (1a) und einem unteren Teil (1b) besteht.

6. Matrizenschweißspule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize (1) Kanäle (14) zum Durchfluß eines Kühlmittels enthält.

7. Matrizenschweißspule nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize (1) mit einer Führungshülse (15) mit konisch gestalteter Eingangsöffnung aus einem elektrisch nicht leitenden Material verbunden ist.

8. Matrizenschweißspule nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem Schulterteil des Tubenkopfes zugewandten Innenseite der Matrize (1) eine Isolierrondelle (10) vorgesehen ist.

9. Matrizenschweißspule nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierrondelle (10) zwischen dem oberen Teil (1a) und dem unteren Teil (1b) der Formmatrize (1) klemmend befestigt ist, wobei die beiden Teile (1a) und (1b) lösbar miteinander verbunden sind.

Zeichnung